结构损伤与修理重点.docx

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结构损伤与修理重点

结构损伤与修理重点

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破坏。

构件形成可检裂纹的这段时间就是构件的疲劳寿命。

到了寿命的构件需进行修理或更换。

破损安全：

一个构件破坏之后，它承担的载荷可能由其他结构件继续承担，以防止飞机的破坏，或造成刚度的降低过多而影响飞机的正常使用。

这种设计思想允许飞机有局部破损，但必须保证飞机的安全。

损伤容限设计基本含义：

承认结构中存在着一定程度的未被发现的初始缺陷、裂纹或其他损伤。

通过损伤容限特性分析与实验，对可检结构给出检查周期，对不可检结构给出最大允许初始损伤

结构损伤容限设计的核心：

承认结构中存在初始缺陷、裂纹及其他缺陷的可能性，并设法控制损伤的扩展。

结构分类：

缓慢裂纹增长结构；破损安全止裂结构；破损安全多传力结构

耐久性设计的含义：

在规定的时间内，飞机结构抗疲劳开裂、腐蚀、热退化、剥离、磨损和外来物损伤作用的能力。

耐久性的基本要求：

飞机结构应具有大于一个使用寿命的经济寿命。

耐久性设计和损伤容限设计之间的联系与区别：

损伤容限设计是保证飞机结构安全性和可靠性，确定安全极限。

耐久性设计是使飞机结构具有良好的经济维修性，确定飞机结构的经济极限，提供经济寿命。

损伤容限设计与耐久性设计是相互联系，互相补充的。

损伤容限设计的可靠性保证要以耐久性为前提。

通常把损伤容限设计与耐久性设计科学的结合起来，从而形成耐久性加损伤容限的设计思想。

它的总目标，一是提高飞机的安全可靠性，二是提高飞机的经济寿命。

抗疲劳设计与修理的一般准测：

合理选材；适当控制应力水平；避免或减缓应力集中。

应力集中：

构件的截面突变处，出现比名义应力大得多的局部应力，这种局部应力增大的现象叫做应力集中。

避免或减缓应力集中的措施：

1.构件应该尽量避免横截面积有急剧突变；2.在飞机结构设计布局时，应尽量避免主动传力路线中断，避免桁条中断和弯折，避免或减少局部附加弯矩及局部应力集中；3.采用对称结构，尽量避免带有偏心；4.结构尽可能少开口，开小口；5.受力构件边缘不允许有尖角，并保证有足够大的圆角过渡；6.避免在主要传力构件的高应力区域或应力集中部位装置辅助构件，防止出现复合应力集中；7.铆钉孔和螺栓孔的布置，要尽量避开高应力区。

8.悬挂接头的连接设计，降低应力集中，可适当加长接头连接部分；9.用整体结构代替螺钉连接组合结构；10.尽量减少接头和接缝，并将它们置于低应力区；11.重要受力构件的局部应力集中区设计，应便于加工。

连接件的连接形式：

尽量采用对接形式，避免采用搭接形式；对于对接形式的铆钉连接，采用薄刚性垫片可减少偏心距；对于搭接形式的铆钉连接，采用刚性加强件。

铆钉的排列形式：

平行排列的铆接，不宜采用交错排列的铆接，各排铆钉的大小和数量尽可能相同；避免单排连接，尽可能采用双排或三排连接。

一般抗疲劳装配工艺措施：

在飞机结构制造和修理中应注意填装工艺孔，工艺孔应选在低应力区；装配孔边缘必须留有足够大的倒角，以防止装配时刮坏零件，造成疲劳源；在飞机结构装配和修理中，应避免过度的强迫装配，防止产生过大而有害的装配应力，降低构件的疲劳强度；连接不同材料时，钻孔应首先钻透高强度材料的构件；埋头划窝的深度不宜超过板厚的2/3，也不许划透板件留下刀口状的锐边；紧固件孔边去毛刺；避免使用攻螺纹的孔；避免受剪螺栓孔有太大的公差；铝合金接头的螺栓孔应加装紧配合钢衬套；构件紧贴表面尽量避免相互滑移和擦伤；打印号码标记的位置应加以规定，要选在低应力的部位。

表面强化工艺措施：

表面形变强化（喷丸，滚压）；表面淬火处理；表面化学热处理（渗碳，渗氮，碳氮共渗）；表面激光处理。

喷丸工艺：

表面喷丸强化工艺和表面滚压强化工艺，是在零构件表层产生有利残余压应力的表层形变强化工艺。

原理：

将高速运动的弹丸连续地向零构件表面喷射的过程，弹丸流的喷射如同无数小锤向金属表面层产生极为强烈的塑性变形，形成表面强化层。

作用：

1）较经济的加工成形螺纹，同时提供疲劳强度；2）改善铝合金构件，疲劳性能的作用；3）改善合金钢，疲劳性能的作用。

其他表面处理工艺：

1.表面淬火2.表面化学热处理

应力腐蚀：

某些合金材料或构件，在特定腐蚀介质中受到恒定拉应力作用导致脆性损坏的现象,称为应力腐蚀。

应力腐蚀开裂：

在恒定拉应力和腐蚀介质联合作用下，裂纹形成和扩展的过程。

产生应力腐蚀三要素：

合金、拉应力和腐蚀介质。

防止应力腐蚀：

铝锌合金，不锈钢和高强度结构钢对应力腐蚀具有较高的敏感性；应力腐蚀开裂速率是受应力强度因子控制的；采取消除残余拉应力的热处理工艺；采用喷丸，滚压或超声波，振动，降低残余拉应力或引入压应力；表面渗碳，渗氮，氰化，渗金属或合金等工艺措施；紧固件孔的适当径向干涉量；构件抗拉强度达到技术条件的中下限；避免缓解应力集中。

飞机结构的损伤，按损伤程度可分为三类：

1）可允许损伤2）可修理损伤3）不可修理损伤。

按损伤原因分类：

非正常使用损伤；非正常维护行为造成损伤；交变载荷所造成的损伤；各种使用环境所造成的腐蚀损伤；摩擦损伤；紧固件松动损伤。

铆钉的静载破坏模式有以下几种：

剪切破坏；挤压破坏；铆钉头破坏。

制定结构修理方案的依据是：

1）制定结构修理方案时以结构修理手册为依据。

2）对于超出结构修理手册范围的严重损伤结构的修理，制定结构修理方案时的主要依据是该型飞机的强度设计资料、空气动力资料、腐蚀控制资料以及等强度和等刚度修理准则等，必要时进行试验以验证结构修理方案的正确性。

制定飞机结构修理方案时应考虑的基本因素哪些：

（1）弄清损伤原因和确定损伤件及其所在部位综合考虑诸影响因素

（2）满足气动力光滑性要求（3）满足静强度、刚度、疲劳强度等方面的要求（4）满足防腐控制要求（5）可检性要求（6）可接近性要求（7）密封性要求（8）经济性要求

结构损伤的修理方法：

1）暂时性结构修理方法2）永久性结构修理方法

制定临时性结构修理方案应考虑和满足以下三个方面：

制定临时性结构修理方案时，必须考虑到永久性修理方案；临时性结构修理方案中必须包括对修理区的检查间隔；临时性结构修理方案中必须规定时限，到达时限时，必须按永久性修理方案完成结构修理。

飞机结构的损伤分为三级：

可允许损伤，可修理损伤，不可修理损伤

结构件的可允许损伤以及其修正措施：

止裂的措施：

止裂孔；加补片的方法加强构件；机械清除裂纹措施。

关于打止裂孔的方法：

止裂孔需要打在裂纹的尖端处，否则不能消除裂纹尖端应力场的奇异性。

通常，止裂孔的位置应是止裂孔的圆心超过目视看到的裂纹尖端2.0mm。

止裂孔的作用：

裂纹尖端应力场具有奇异性，当在裂纹尖端打上止裂孔后，就消除了裂纹尖端的应力奇异性，从而阻止了裂纹继续扩展。

当薄壁结构件出现较短裂纹时，均可采用打止裂孔的方法止裂。

打止裂孔时，要注意使止裂孔有适当大小的孔径，以便能去掉裂纹前端的微裂纹。

较大孔径的止裂孔，可以使应力集中有较大幅度的降低。

通常，对于蒙皮等构件上的短裂纹，止裂孔的孔径在4~6mm之间。

机械清除裂纹的措施：

焊机械消除裂纹措施是止裂工艺中较为简单的止裂措施。

这种止裂方法是通过锉修、打磨、抛光等工艺措施清除掉构件中的裂纹。

只适用于清除掉短、浅裂纹。

实际上这种消除裂纹的方法既是止裂也是一种剥层处理。

由于在清除裂纹的同时也伴随着清除表面已变脆的材料所以对构件的疲劳性能会产生有利影响。

采用这种方法修整时要做到在被清除裂纹处有较大的圆弧半径，在相邻处有较平缓的倾斜度以便使应力集中达到最小。

其他止裂措施：

焊接止裂措施，人工制造残余压应力的缓裂措施，软化裂纹尖端区金属材料的缓裂措施

蒙皮损伤均要采用挖补镶平修理

紧固件通常可分为两大类：

螺栓类，铆钉类

1.当需要传递大的集中载荷时，通常采用螺栓类紧固件连接2.当需要传递较大的分布载荷时，用高锁螺栓或锁螺栓3.当需要传递较小的分布载荷时，通常采用铆钉类紧固件。

飞机结构修理中紧固件选用原则：

1、尽量选用与原紧固件相同的紧固件；2、当修理零构件之间需要传递较大拉伸或剪切载荷时，选用螺栓类紧固件；3、当紧固件需要承受较大的拉力时，选用螺栓类紧固件；4、避免将螺栓或螺钉与铆钉或干涉配合的紧固件放在一起使用；5、对于经常积水或受废气影响的区域，应选用耐腐蚀性能较高的紧固件，但应考虑紧固件与被连接之间材料的相容性问题，以防止产生电偶腐蚀；6、对于热影响区域，选择紧固件时既要考虑到满足强度要求，又要考虑到温度环境影响。

螺栓的种类及特征：

主要承受拉伸载荷的抗拉螺栓；主要承受剪切载荷的抗剪螺栓；承受拉剪复合载荷的螺栓。

按受力状态分类铆钉可分为：

1）普通实芯铆钉2）高抗剪铆钉3）盲铆钉（拉铆钉）

按外形分类：

埋头铆钉、偏圆头铆钉、半圆头铆钉、平头铆钉。

紧固件边距的确定：

紧固件边距是指从紧固件孔中心到最近边缘的距离。

一般取最小边距为2倍紧固件直径。

（埋头紧固件的边距要比非埋头紧固件的边距大一些）

结构的密封形式：

缝内密封；缝外密封；表面密封；混合密封；紧固件密封。

复合材料的概念：

有两种或两种以上材料组合成的材料叫做复合材料。

复合材料的原材料包括：

增强材料；基体材料；预浸料，夹芯材料

增强材料：

碳纤维；芳纶；硼纤维；碳化硅纤维；玻璃纤维

基体材料：

有机基体材料：

①热固性树脂②热塑性树脂；金属基复合材料

预浸料：

预浸料是指预先浸渍了树脂的纤维或织物的片状材料，它是层合板的基本组成单元。

夹芯材料：

一：

蜂窝夹芯；1.铝蜂窝2.芳纶纸蜂窝3.玻璃布蜂窝。

二：

泡沫夹芯

复合材料的优缺点

优点：

比重小、比强度和比模量高，耐高温（有的不耐，取决于材料种类和应用的飞机部位），耐疲劳，耐腐蚀，有各项异性的特点可设计性好，化学稳定性好，热膨胀系数低，电性能优良，修理方便可在机修理，损伤检测方法简单如金属敲击法；

缺点：

容易和铝合金等金属发生电偶腐蚀，材料的工艺稳定性差，材料性能的分散性大，抗冲击能力低，横向强度和层间剪切强度差，加工难度大，价格高，维护修理成本高。

怎样理解复合材料的可设计性：

接头纤维增强塑料是由两种不同强度和模量的材料组成的，而且又是每一铺层方向可随意改变的层合结构材料。

所以，可以改变组分材料的种类、含量，以及铺层方向和顺序，在一定的范围内满足结构设计中对材料强度、弹性和方向性的要求。

因此，复合材料不仅给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料，而且给设计人员提供了一种由设计人员在一定范围内可随意设计的材料，以达到结构设计与材料设计高度统一的优化设计。

复合材料常见的结构形式：

层压板结构：

纤维增强材料按照一定方向铺设于基体材料中构成。

夹层结构：

由层压板结构的薄蒙皮和夹在两层薄蒙皮之间的夹芯材料共同构成。

编织结构：

增强材料采用三维编制的方式排布，增强纤维不仅在面内，而且厚度方向也有纤维增强。

蜂窝夹层结构在飞机中的应用：

蜂窝夹芯是夹层结构中最常用的夹芯材料。

蜂窝夹芯按制造材料可分为铝蜂窝、芳纶纸蜂窝和玻璃布蜂窝等。

1）铝蜂窝：

由于铝蜂窝和碳纤维复合材料热膨胀系数相差太大，在加温固化制造中和在高低温交变环境下使用会产生较高的热应力，且它们直接接触时会产生电偶腐蚀，所以目前飞机上很少采用碳纤维复合材料面板、铝蜂窝夹芯的蜂窝结构。

2）芳纶纸蜂窝：

在飞机上常用作地板、舱内壁板和装饰板的芯材；这种蜂窝能经受一般浓度酸、碱、盐溶液、液压油和燃油作用不变质，湿热环境不霉变，耐老化和雨蚀，且具有隔音、隔热和电绝缘作用，能透过电磁波，因此可用作雷达罩芯材。

3）玻璃布蜂窝：

有良好绝缘性和透电磁波性能，芳纶纸蜂窝出现前几乎所有雷达罩都是用它制造。

复合材料设计包括哪几个阶段：

1）材料设计：

合理选用增强材料和基体材料的设计过程2）铺层设计：

复合材料结构设计中最关键的设计工作之一，包括铺层的取向、铺层顺序以及各种铺层相对于总层数的百分比和总层数3）夹芯结构设计4）气动弹性设计5）连接设计6）防腐设计：

防止复合材料发生物理腐蚀和化学腐蚀7）防雷击抗静电设计：

防止飞机因雷击和静电造成损伤。

复合材料常见的无损检测方法。

1）金属铃声法：

是检查脱胶损伤和分层损伤的最简单方法，当用一枚硬币或其他小的金属件轻轻敲打没有脱胶的夹芯结构时，将会听到清脆的金属铃声；如果出现脱胶，将会听到钝的重击声。

2）渗透检测法：

能检查出复合材料构件表面的裂纹、孔洞、疏松、划伤和紧固件孔等表面损伤。

3）射线检测法：

可以检测构件表面裂纹，也可以检测目视检查不能发现的内部裂纹。

4）超声波检测法：

主要用来检测复合材料结构的分层和脱胶损伤，且是分层和脱胶检测的最有效方法。

5）涡流检测法：

只能用来发现导电试件的缺陷或损伤，因此只能检测纤维能导电的树脂基复合材料。

6）热象无损检测法：

是一种建立在温度场基础上的检查物体质量、内部状态、结构及缺陷的一种方法，具有非接触测量、灵敏度高、反应速度快、使用安全、信号处理快、可建立自动检测系统等优点。

7）射线非胶片成像技术检测法：

CR成像系统是一种可以在外场应用的X射线实时成像系统，主要应用于蜂窝结构的进水检测。

8）真空测试：

利用手动真空泵，对蜂窝夹芯部件进行测试，是空客针对A320方向舵、升降舵是否脱粘、蜂窝损伤的检测方法。

复合材料修理常用设备及作用。

1）冰箱：

使各种预浸料和薄膜粘合片能在要求的10°F以下保存。

2）加温设备：

烘箱、加热毯以及热压罐，作用是在复合材料结构热修理固化过程中对修理部位进行加温，有时在冷修理中为加速固化也会使用。

3）抽真空设备：

真空包，作用是在复合材料结构修理的固化过程中通过抽真空的办法来对修理部位施加压力，且必须保持22in汞柱的最低压力。

4）其他固化设备：

固化过程还要用到无粘性Tedlar片、粘封条、分离膜和均压板，并使用没有浸渍树脂的玻璃纤维织物作为表面和边缘的透气布。

5）切割工具和吸尘器：

作用分别是切除损伤部位和清除灰尘、松脱的纤维和其他碎屑。

6）夹具：

作用是适当夹持工件，以防止结构产生变形。

7）金属喷涂设备：

作用是在修理部位表面喷涂金属材料，从而形成导电涂层。

复合材料修理两大类方法（干法、湿法）。

复合材料结构修理分为热修理（干法）和冷修理（湿法）两大类：

热修理是指清除损伤后，采用预浸料、预固化片或湿铺层，然后使用烘箱、加热毯或热压罐加温固化的修理方法。

热修理又可分为250°F固化修理、350°F固化修理和200°F或300°F湿铺层固化修理，热修理一般用在手册规定的部件或构件的特定区域，同时手册还规定了采用哪种热修理方法，并且修理材料应与固化温度相适应。

冷修理是指清除损伤后，采用湿铺层，然后在室温下固化的修理方法。

为了加速固化和得到高质量的修理，可以利用加热设备，使修理区湿铺层后，在150°F温度下固化。

冷修理不能恢复原结构的强度和耐久性。

复合材料修理过程。

1）损伤的清除与打磨修整：

确定损伤程度，从损伤区域清除水份，清除损伤，修整切除损伤后的区域，清洁修理区；2）制作、清洁和安装蜂窝夹芯塞：

制作夹芯塞，清洁夹芯塞，安装夹芯塞，固化；3）铺层：

冷修理湿铺层，热修理铺层；4）封装与固化：

封装，固化；5）表面修整、修理质量检查和表面涂层修理：

表面修整，修理质量检查，其他方面的检查，表面涂层的修理。